Un equipo dirigido por la Universidad de Rutgers y que incluye a científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha demostrado una técnica de imágenes de rayos X que podría permitir el desarrollo de más rápido, y electrónica más robusta.

Descrito en un artículo publicado el 27 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza , la técnica aborda una limitación principal en el campo de investigación emergente de "espintrónica, "o girar la electrónica, utilizando materiales magnéticos conocidos como antiferromagnetos (AFM):la capacidad de obtener imágenes de dominios magnéticos antifásicos.

Los electrones en los átomos magnéticos apuntan, o "girar, "hacia arriba o hacia abajo. En todos los materiales magnéticos, hay distintas regiones (dominios magnéticos) en las que los espines de los electrones se organizan de manera regular. Son posibles varias configuraciones según el tipo de magnetismo. En AFM, los espines en átomos adyacentes apuntan en direcciones opuestas (por ejemplo, arriba-abajo-arriba-abajo). Si bien los giros dentro de cada dominio están ordenados uniformemente, aquellos dentro de dominios adyacentes están alineados de una manera diferente. Por ejemplo, en AFM, los giros en un dominio pueden organizarse en un patrón de arriba hacia abajo, mientras que hacia arriba en un dominio vecino. La obtención de imágenes de estos dominios "antifase" y las transiciones (paredes) que existen entre ellos es el primer paso para poder manipular el estado magnético de los AFM para desarrollar dispositivos espintrónicos.

"Por último, el objetivo es controlar el número, forma, Talla, y posición de los dominios, "dijo el coautor Claudio Mazzoli, científico principal de la línea de luz Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) en la fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II) de Brookhaven Lab, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, donde se demostró la técnica. "En general, las propiedades electrónicas de las paredes de dominio pueden ser diferentes de las de la mayor parte del material, y podemos aprovechar este hecho. Encontrar una forma de controlar los dominios y sus muros mediante perturbaciones externas es clave para diseñar dispositivos que puedan almacenar y procesar información de manera eficiente ".

De la carga al giro

La electrónica convencional, como los chips de computadora, se basa en el transporte de portadores de carga eléctrica, o electrones, para operar. A medida que estas cargas se mueven, disipan energía en forma de calor, limitar la eficiencia del dispositivo.

La espintrónica explota otra propiedad intrínseca de los electrones:el espín. Debido a que los espines de los electrones se pueden cambiar de una polaridad magnética a otra mucho más rápido de lo que se puede mover la carga, Los dispositivos basados ​​en espintrónica pueden ser intrínsecamente más rápidos que los dispositivos electrónicos actuales.

Hasta la fecha, la mayoría de los dispositivos espintrónicos se han basado en ferroimanes (FM), el tipo de imanes con los que estamos más familiarizados, como se ve en refrigeradores y en discos duros de computadoras. En respuesta a un campo magnético externo, los dominios en FM se alinean de forma paralela de acuerdo con la dirección del campo.

Sin embargo, Los AFM ofrecen varias ventajas sobre los FM. Por ejemplo, porque los giros en AFM se cancelan, estos materiales no tienen magnetismo a gran escala. Por lo tanto, su orientación de giro se puede voltear aún más rápido, y no generan campos magnéticos extraviados que puedan interferir con otras fuentes de magnetización. Además, son mucho más resistentes a los campos magnéticos externos.

"Los antiferromagnetos están intrínsecamente mejor protegidos contra la pérdida de información a través de interacciones con el medio ambiente, incluso entre dominios, ", explicó el autor principal y profesor de física de Rutgers, Valery Kiryukhin". los dispositivos basados ​​en materiales AFM se pueden hacer más pequeños, con información empaquetada más estrechamente para producir una mayor capacidad de almacenamiento ".

Pero las mismas características que hacen que los AFM sean atractivos para la espintrónica también hacen que estos materiales sean difíciles de controlar.

"Para controlarlos, primero debemos responder a preguntas muy básicas, por ejemplo, cómo se organizan los dominios en el espacio y cómo se mueven ellos y sus paredes en respuesta a perturbaciones externas como cambios de temperatura, campos eléctricos, y pulsos de luz, "dijo Mazzoli.

Reflexiones antiferromagnéticas

En este estudio, Los científicos dirigieron un haz coherente de rayos X desde la línea de luz CSX a través de un orificio circular para iluminar el orden magnético de una muestra de AFM a base de hierro sintetizada por miembros del Departamento de Física y Astronomía de Rutgers. incluyendo a Kiryukhin y al primer autor y asociado postdoctoral Min Gyu Kim. Establecieron los rayos X de la línea de luz en una energía que resuena con (cerca de) la energía de los giros en el material. Un detector capturó la intensidad de la luz reflejada en la muestra.

"Puede ver los arañazos en la pantalla de su teléfono celular cuando la luz se refleja en esa superficie, ", dijo Mazzoli." Aplicamos el mismo tipo de principio aquí, pero nos basamos en reflejos magnéticos en lugar de reflejos de superficie. Los reflejos magnéticos solo aparecen dentro de un límite muy estrecho de ángulos y condiciones de dispersión ".

"Debido a que el rayo entrante es coherente, todos los fotones, o partículas ligeras, agitar juntos de manera organizada:pudimos ver directamente en qué se diferencian dos dominios y cómo interfieren entre sí, "dijo el coautor Mark Dean, un físico en el Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) de Brookhaven Lab. "La interferencia, como se revela en los patrones del detector donde hay una reducción en la intensidad de la señal, nos dijo dónde están los límites del dominio ".

Aunque esta técnica de difracción magnética es bien conocida, este estudio representa la primera vez que se ha aplicado con éxito a la obtención de imágenes de dominio antifase en AFM.

"Esta capacidad completamente nueva de obtener imágenes de los límites del dominio antiferromagnético solo es posible debido a la excelente coherencia de la línea de luz, "dijo Ian Robinson, Líder del grupo de dispersión de rayos X y físico senior en el Departamento de CMPMS. "Las contribuciones de dispersión de dos dominios antifase son exactamente iguales en magnitud. Se diferencian solo en su fase, que se capta con rayos X coherentes por interferencia en el detector ".

En fracciones de segundo, se genera una imagen completa de áreas extendidas (cientos de micrones por cientos de micrones) de la muestra, sin tener que mover ningún instrumental. En otras técnicas de imágenes magnéticas, una sonda debe escanearse sobre la superficie en múltiples puntos, o se requieren cálculos para proyectar los patrones de detector resultantes en imágenes del espacio real que nuestros ojos puedan comprender.

"Básicamente estamos tomando una foto, ", dijo Mazzoli." La lectura de todos los píxeles en el detector forma una imagen de campo completo en una sola toma. Se pueden obtener imágenes que cubran áreas de tamaño milimétrico aún más grandes uniendo varias imágenes ".

La velocidad de la técnica la hace ideal para experimentos dinámicos. Aquí, los científicos estudiaron cómo cambiaban los dominios magnéticos en tiempo real a medida que calentaban la muestra para "fundir" (eliminar) su orden antiferromagnético y la enfriaban para recuperar el orden en la forma de la disposición de los dominios. Descubrieron que algunos de los dominios podían moverse libremente con cada ciclo térmico, mientras que otros no.

Avanzando, el equipo planea probar la técnica utilizando otros AFM y diferentes clases de materiales. El equipo también planea mejorar la resolución actual de la técnica por debajo de los 100 nanómetros mediante la reconfiguración de la configuración experimental. Esta resolución mejorada les permitiría determinar el espesor de la pared del dominio.

"Para diseñar un dispositivo espintrónico, necesita conocer la configuración magnética de los materiales, ", dijo Dean." Nuestra esperanza es que eventualmente seremos capaces de utilizar esta técnica para ver cómo funciona el magnetismo en condiciones cercanas al dispositivo ".